PT1378040E - Aparelho de comutação monofásico ou polifásico encapsulado numa caixa - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

APARELHO DE COMUTAÇÃO MONOFÁSICO OU POLIFÁSICO ENCAPSULADO NUMA CAIXA A invenção refere-se a um aparelho de comutação monofásico ou polifásico compreendendo um ou mais interruptores que são montados com a ajuda de um isolamento sólido de forma a que estes estejam isolados, assim como a uns componentes activos associados como por exemplo sistemas de carris, conectores e outros, onde os interruptores e os componentes activos associados são alojados numa caixa de encapsulamento dos ditos interruptores e componentes activos. 0 Pedido de Patente europeia EP 0 393 733 Al, descreve um aparelho de comutação deste tipo. Este aparelho de comutação conhecido tem a vantagem de que é obtida uma caixa fiável, estável que pode ser tocada de forma segura com uma construção de caixa relativamente simples e ligeira.

Geralmente, é também conhecido, como pode ser observado no artigo intitulado "Mittelspannugs-Anlagen und Stationen, die neue Lastschaltergeneration unter Einsatz von SF6 ais Isolier und Lõschmittel" por Karl-Heinz Siebel, Wegberg, publicado no Elektrizitàtswirtschaft, volumen 79 (1980), no. 22, que várias condições ambientais (principalmente pó e humidade) podem a longo prazo ter um efeito negativo quanto à fiabilidade operacional destes interruptores isolados com ar e um sólido. O resultado do crescente problema de escassez de espaço é que o aparelho de comutação que está totalmente isolado com ar tem sido cada vez menos considerado devido às suas dimensões relativamente grandes. Um aparelho de comutação de construção mais compacta no que é utilizado um isolamento sólido ou 1 isolamento sólido/com ar também se tornou menos atractivo devido ao aumento do custo do solo.

Considerando o anteriormente referido, o hexafluoreto de enxofre (SFg) é actualmente utilizado de maneira generalizada como agente isolante e também às vezes como agente de extinção na câmara em que está alojado o aparelho de comutação. Este gás foi escolhido devido às suas várias propriedades vantajosas, como por exemplo a alta resistência dieléctrica, as boas propriedades de arrefecimento e a lentidão da sua reacção. Pode ser obtida uma redução do tamanho do aparelho de comutação, quando comparado com o aparelho de comutação mencionado anteriormente, mediante estes meios para a mesma realização (por exemplo voltagem e valores habituais).

Apesar de que ainda não tenha sido estabelecido que o SF6 per se é tóxico, foi descoberto que os produtos da decomposição do SF6, como SF4, S2F4, S2F10, SOF2, SO2F2, HF e SO2 são altamente tóxicos.

Além de que, o SF6 é um dos seis gases especificamente citados na

Conferência Mundial de Kyoto sobre as alterações climáticas em que este gás é considerado como um dos causadores do efeito de estufa. Por estes motivos é extremamente importante evitar a utilização do SF6 sempre e onde seja possível. 0 SF6 utilizado até aos nossos dias tem ainda a desvantagem de que o enchimento do aparelho de comutação com este gás tem que ser realizado de forma a que o ar existente no aparelho de comutação seja totalmente removido. Adicionalmente, a caixa na que o aparelho de comutação está alojado tem que ser de construção totalmente estanque e hermética ao gás para impedir a fuga do gás para o exterior assim como a penetração do ar desde o exterior. Para poder garantir que o espaço interior se mantém completamente cheio de gás SF6, uma certa sobrepressão do gás é utilizada, apesar da dita vedação hermética, para que a largo prazo se possam compensar pequenas fugas, as quais com as construções utilizadas na prática nem sempre podem ser evitadas. 2

Além de que, muitas vezes é ainda instalado um manómetro para controlar a pressão no aparelho de comutação do dito gás. A consequência de que se dê um arco eléctrico internamente geralmente é provocado pelo gás SFe que é libertado com os seus produtos de decomposição, e portanto ninguém se pode aproximar ao dito aparelho de comutação em questão sem um equipamento de alta protecção pessoal. Seguido de que este mau funcionamento faz com o aparelho de comutação fique inutilizado, e mesmo que o aparelho de comutação possa ser reparado, terá que pelo menos ser realizada a extracção total do SF6 seguido de um novo enchimento com SFê. As mesmas operações devem ser efectuadas no caso de outras anomalias causadas por componentes no interior da caixa e durante o trabalho de manutenção da instalação, por exemplo no caso da substituição preventiva de SF6 contaminado pela humidade e/ou outros factores. 0 artigo intitulado "SFg-ein Umweltproblem?" de Horst Peter & Rolf Sartorius, publicado em Elektrizitãtswirtschaft, Volume 95 (1996), no. 8, pp. 512-514, descreve que em 1996 ainda não havia nenhum produto para substituir de forma adequada o SF6 e estávamos resignados a sofrer as desvantagens associadas com a utilização do SFg, com a condição de que a reciclagem do gás SFê deveria ser feita o mais longe possível e quando havia espaço suficiente, o ar seria preferencialmente dieléctrico. 0 objectivo da invenção consiste em prover um aparelho de comutação do tipo referido no preâmbulo, com o qual, serão mantidas as vantagens do tipo de aparelho de comutação mencionado, e ao mesmo tempo combina o volume de um aparelho de comutação com SFg e sendo evitadas as desvantagens associadas ao SF6 mencionadas anteriormente.

Este objectivo é obtido de acordo com a invenção como o descrito na reivindicação 1, devido a que a caixa de encapsulamento é cheia com ar e com um baixo teor de humidade e veda o seu espaço 3 interior em relação ao espaço exterior à volta caixa de encapsulamento de forma a que o ar existente na caixa não seja contaminado e não atinja o ponto de condensação.

Do Pedido de Patente europeia EP 1 054 493 A é conhecido um aparelho de comutação de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 e com uma caixa fechada cheia com ar seco.

Dado que desta maneira é seguro que a formação de condensação não se pode dar ao nível da temperatura habitual de funcionamento e portanto as propriedades electricamente isolantes do ar com um baixo teor de humidade mantêm-se constantes durante a vida útil do aparelho de comutação e que desta maneira não possa também ser afectado pelo pó, é possível construir um aparelho de comutação barato e compacto com um nível de média tensão ou também de alta tensão. A humidade pode ser controlada com a utilização de um higrómetro simples e barato e quando a humidade do ar na caixa de encapsulamento é muito alta, como por exemplo resultante de possíveis pequenas fugas, somente é necessário remover a humidade do ar de forma habitual e utilizando meios simples e baratos. O higrómetro pode estar disposto na caixa de encapsulamento de maneira a que possa ser visível através de uma janela da caixa. Um higrómetro de cores, que indica os diferentes níveis de humidade mediante cores, é, por exemplo, um indicador utilizável e claro. O que foi obtido por meio da dita vedação é que as condições ambientais como a humidade, a temperatura e o pó atmosférico que têm um efeito nefasto nas instalações de comutação, não foram capazes de exercer esse efeito adverso.

Também foi salientado o ponto de condensação não deve ser atingido mesmo com uma temperatura mínima de funcionamento.

Para que ainda a invenção possa ser utilizada naqueles casos em que os requisitos impostos em relação à vedação hermética numa 4 caixa de encapsulamento não sejam tão rigorosos como no caso da utilização do gás SF6 e para evitar a necessidade de controlar constantemente a humidade e qualquer medida que tenha que ser tomada para a extracção da humidade, a invenção provê também um aparelho de comutação no qual é disposto um agente absorvente de humidade na caixa de encapsulamento, sendo a quantidade do dito agente absorvente de humidade tal que a humidade que penetre resultante das fugas da caixa de encapsulamento seja totalmente absorvida durante a vida útil do aparelho de comutação e onde um indicador de humidade está disposto no caixa de encapsulamento de maneira a que este seja visível na caixa através de uma janela. Do Pedido de Patente alemã DE 27 02763 A é conhecido per se a utilização de um agente absorvente de humidade.

No caso de um aparelho de comutação de acordo com a invenção, como o definido na reivindicação 1, já não é necessário retirar totalmente o aparelho de comutação durante a fabricação do aparelho de comutação ou após uma avaria ou após uma revisão. O que é necessário é assegurar que a humidade é extraída do ar presente.

Noutra forma de realizar a invenção são dispostas barreiras isolantes, por exemplo em forma de divisões isolantes ou de camadas isolantes na caixa do interruptor, entre os componentes activos das várias fases do interruptor dentro da caixa de encapsulamento.

Resultante da utilização de ar limpo com um baixo teor de humidade é que não se dará nenhuma contaminação nem condensação, de forma a que simplesmente um plástico barato e comercialmente disponível é adequado para as divisões ou para as camadas isolantes. 0 facto de que já não apareça condensação e contaminação por efeitos atmosféricos tem um efeito vantajoso na distribuição da força do campo eléctrico devido aos componentes activos que 5 surgem nas divisões isolantes, como resultado do qual se pode conseguir uma construção compacta e também se conseguem os requisitos habituais para um aparelho de comutação no que refere à sua capacidade para resistir às tensões de ensaio e sobretensões transitórias. É de salientar que com o Pedido de Patente europeia EP 0 393 733 Al é conhecido o facto de encapsular o comutador; no entanto, assim como o isolamento este encapsulamento é utilizada também para suportar os interruptores numa caixa metálica e por esta razão a encapsulamento é de construção pesada. Além de que, com esta disposição o interruptor conhecido não é tão compacto como o interruptor de acordo com a invenção, onde o encapsulamento foi substituído por divisões mais baratas.

Noutra forma de realizar a invenção as barreiras de isolamento são ainda utilizadas para a fixação mecânica e para a colocação dos vários componentes activos das fases na caixa de encapsulamento.

As medidas tomadas para obter um aparelho de comutação compacto estão fundamentalmente destinadas aos componentes activos do aparelho de comutação. Como foi salientado no artigo intitulado "Reliability improvements in the operating mechanism and control circuit of the gas-insulated switchgear" de M. Tsutsumi, T. Fuji & Y. Tobiyami, publicado em Fuji Electric Review, vol. 40, no. 2, pp. 46-51, 1994, também o mecanismo de transmissão de um aparelho de comutação, muitas vezes origina falhas. No caso das instalações de comutação com SF6, habitualmente o mecanismo de transmissão é colocado fora da grade cheia com SF6. 0 resultado desta medida é que não é necessário de que cada vez que o mecanismo de transmissão tenha que ser reparado ou que tenha que ser feita a manutenção esvaziar ou encher a grade com SF6, com todas as desvantagens descritas anteriormente associadas. 6

No artigo anteriormente mencionado pode ser observado que estas falhas no mecanismo de transmissão são geralmente provocadas pela influência das condições ambientais que provocam a corrosão e a contaminação das peças móveis.

Para melhorar estas peças e de acordo com outra forma de realizar a invenção o mecanismo de transmissão é também alojado na mesma grade que provê a vedação contra o espaço exterior e que contém ar com um baixo teor de humidade. À continuação a invenção será explicada mais detalhadamente com referência ao desenho.

No desenho é mostrado uma figura em secção de um interruptor de acordo com uma forma de realizar o aparelho de comutação. 0 aparelho de comutação de acordo com a invenção pode servir para a comutação de uma conexão entre um condutor principal e um condutor de derivação. Este condutor principal é, por exemplo, um suporte condutor de voltagem média com uma voltagem de 12 kV. O componente de comutação, como parte de um disjuntor principal ou interruptor de alimentação, pode por exemplo ser um disjuntor em vazio. 0 componente de comutação é alojado, com os componentes activos associados, na caixa de encapsulamento. Esta caixa de encapsulamento é cheia com ar com um baixo teor de humidade e o espaço interior deste alojamento é vedado em relação ao espaço exterior de forma a que nenhuma condição ambiental o Influencie e que, sobre as piores condições ambientais e ao longo da vida útil do comutador, o ar existente no alojamento não seja contaminado e não seja capaz de atingir o ponto de condensação. Assim, preferencialmente é colocado um agente absorvente de humidade na caixa encapsulada, em que a quantidade do agente absorvente de humidade é tal que a humidade que penetre como consequência de uma fuga na caixa de 7 encapsulamento seja totalmente absorvida durante a vida útil do aparelho de comutação.

Quando comparado com o aparelho de comutação conhecido até agora e cheio com gás SF6, foi descoberto que como resultado da utilização do ar com um baixo teor de humidade é que pode ser obtido um bom isolamento para voltagens maiores e consequentemente pode ser ainda desenhado um aparelho de comutação com dimensões relativamente pequenas.

Resultante da utilização de barreiras de isolamento à volta dos componentes activos na caixa de encapsulamento é que o tamanho do aparelho de comutação pode ser reduzido ao mesmo tempo que a eficácia energética e os requisitos desejados são mantidos como por exemplo a capacidade para resistir a sobretensões transitórias e à tensão de contornamento, mesmo quando é omitido o encapsulamento que consiste num isolamento sólido conhecido no estado da técnica.

No desenho é ilustrado uma secção de uma forma de realização possível de um aparelho de comutação de acordo com a invenção. Na presente invenção é feita referência a uma configuração trifásica e somente a um disjuntor, na secção pode ser observado um disjuntor em vazio de uma fase. Este disjuntor em vazio 1 é alojado, com outros componentes do aparelho de comutação, numa grade ou armário de acessórios 2. 0 disjuntor em vazio 1 consiste num tubo em vazio (3) no qual são alojados um contacto do interruptor fixo 4 e um contacto do interruptor 5 que podem ser movidos longe ou perto do contacto 4. 0 disjuntor em vazio 1 é suportado pela peça moldada 6 na caixa de encapsulamento 7 que é hermética tanto quanto possível e preferencialmente é feita de metal. Esta caixa encapsulada 7 tem as paredes 8, 9, 10, 11, 12 e 13. 0 contacto do interruptor fixo 4 está ligado ao exterior de maneira estanque e hermética ao gás, para a conexão do cabo 15, por meio da peça moldada 14. 0 contacto do interruptor móvel 5 é fixado numa barra de contacto 16 que pode ser accionada por meio de uma biela de transmissão 17. Esta biela de transmissão 17 está por seu lado acoplada a um mecanismo de transmissão 18, que está ilustrado esquematicamente em forma de bloco. Um sistema de carris com os carris 19 a 21 está alojado também na caixa de encapsulamento 7. Entre o sistema de carris e o contacto do interruptor móvel 5 do interruptor em vazio 1 há um interruptor selector 22 que, via biela de transmissão de comutação 23, pode ser accionado também pelo mecanismo de transmissão 18. A caixa de encapsulamento hermética 7 está cheia com ar com um baixo teor de humidade e é importante que o ar com um teor baixo de humidade não possa atingir o ponto de condensação. Para este fim, a vedação da caixa de encapsulamento 7 deve ser de forma a que o ponto de condensação do ar com um baixo teor de humidade não possa ser atingido mesmo nas piores condições ambientais.

Por exemplo, o ar com um baixo teor de humidade contém como máximo aquela quantidade de humidade que está presente no ar com uma humidade relativa de 95% a uma temperatura que corresponde à temperatura minima de funcionamento desejada.

Assumindo uma temperatura mínima de funcionamento de -20°C, o anteriormente mencionado significa que o ar existente no espaço interior pode conter aproximadamente 0,8 gramas de água por mJ de volume. De acordo com as tabelas geralmente aceites e conhecidas, com esta quantidade de água, o ponto de condensação será atingido a -21°C. Habitualmente, a temperatura de funcionamento a que a instalação de comutação funciona é muito maís alta, e assim é portanto também assegurado que o ponto de condensação não será atingido no espaço interior a temperaturas superiores a -2 °C, ou que nenhuma condensação será atingida no espaço interior. 9

No entanto na prática, foi descoberto que uma grade de protecção não pode ser totalmente hermética e que, especialmente a longo prazo e resultante das várias diferenças de temperatura, pressão e tensão, certas quantidades de fugas, ainda que pequenas, se podem dar na caixa.

Para poder compensar a fuga anteriormente mencionada e poder utilizar também a invenção naqueles casos em que é desejável que a vedação da grade seja mais frágil, a invenção provê também a incorporação de um agente absorvente de humidade no espaço interior da instalação. A quantidade do agente absorvente de humidade deve portanto ser de forma a que durante a vida útil da instalação toda a humidade que penetre seja absorvida. Existe assim, em particular, uma relação entre a vida útil a fuga e a quantidade de agente absorvente de humidade. De acordo com a invenção, esta relação pode ser expressa da seguinte forma: D = (LxVxY+IxJ) x 100/0 + S x F x 100/0.

Nesta equação D é a quantidade em gramas de desidratante requerida considerando uma quantidade especifica de fuga L ao dia por m3. Além de que, V é o teor de humidade em gramas por m3 num meio de ar que pode penetrar a uma temperatura especifica, Y é a previsão da vida útil da instalação em dias, I a capacidade do espaço interior da caixa em m3 e J o teor de humidade do ar existente no espaço interior durante a fabricação, em gramas por m3 e a uma temperatura especifica. O poder de absorção do agente absorvente de humidade está também incorporado na expressão. Esta é um rácio que é especificado pelo fabricante e que dá o rácio entre a quantidade em peso de água incorporada e a quantidade em peso do agente absorvente de humidade. Este rácio está ainda influenciado pela humidade relativa do ar imediatamente à volta do agente absorvente de humidade. Habitualmente o fabricante fornece os requisitos destes dados na forma de tabelas. 10

Dado que o material com um teor de humidade pode estar presente no espaço interior este pode ter um efeito sobre a humidade relativa no dito espaço interior, isto deverá também ser tido em consideração na expressão de acordo com a invenção.

Na expressão S indica a quantidade em peso de material com um teor de humidade em gramas e F é o rácio que indica o teor da humidade no material.

Um exemplo prático dá, por exemplo, os seguintes dados específicos: L = 0,5 1/dia = 5xlCT4 m3/dia V = 50,7 gramas a uma temperatura de 40°C Y= 25 anos = 9125 dias I = 0,2 5 m3 J = 15 gramas/m3 O = 20% S = 10 Kg = 10000 gramas F = 0,2 A partir dos dados anteriormente mencionados pode ser observado que 1275 gramas de absorvente são suficientes para manter a humidade relativa abaixo do ponto de condensação de acordo com as condições de funcionamento normais para a vida útil da instalação.

Como resultado da utilização de um espaço interior acondicionado, o isolamento sólido à volta do disjuntor em vazio e dos componentes activos associados pode ser substituído por barreiras de isolamento dispostas na caixa de encapsulamento 7 à volta do disjuntor em vazio e as partes activas associadas, por meio das quais as barreiras de isolamento podem atingir os requisitos adicionais impostos a este tipo de sistema de comutação, como por exemplo a capacidade de resistir a sobretensões transitórias e ou a descargas de tensão entre duas 11 fases, enquanto que as pequenas dimensões compactas são mantidas. Na forma de realização mostrada no desenho estas barreiras de isolamento são formadas por uma grade monofásica composta pelas divisões 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32 feitas com um material isolante.

Foi descoberto que as barreiras de isolamento não são adequadas com as dimensões compactas como as habitualmente utilizadas com SF6 sem utilizar ar com um baixo teor de humidade e uma protecção contra as influências atmosféricas, dado que o resultado da humidade, da contaminação do pó e da tensão de contornamento se pode dar ao longo das superfícies das barreiras ou divisões de isolamento, com os problemas associados de curto circuitos ou de explosões. Com a utilização de ar com um baixo teor de humidade e da protecção contra as influências atmosféricas é que pode ser suficiente a utilização de material isolante barato para as barreiras de isolamento. As barreiras ou divisões de isolamento podem ainda ser utilizadas para suportar diferentes componentes de uma fase, como por exemplo os carris de 19 a 21. O agente absorvente de humidade para na caixa de encapsulamento manter o teor de humidade do ar pode ser colocado num cartucho, como o cartucho 33. A caixa de encapsulamento 7 está provida com um orifício, que não é mostrado no desenho, que pode ser fechado com uma tampa e que, depois de abrir a tampa, dá acesso ao cartucho 33. A parede da caixa de encapsulamento 7 provida com o orifício preferencialmente é adjacente com o meio exterior do aparelho de comutação. Dito orifício pode ser uma feito numa única peça com uma secção mais frágil da parede da caixa de encapsulamento 7, cuja secção, por exemplo, está à volta do orifício. Se uma pressão demasiado alta é formada na caixa de encapsulamento esta parte queimar-se-á de forma controlada de forma a que não se dê uma explosão. Esta parte preferencialmente está orientada de forma a que quando se queime, os gases libertados não sejam dirigidos a qualquer indivíduo que esteja 12 perto do aparelho de comutação. Por exemplo, a parte mais frágil está disposta em qualquer lugar no fundo da parede traseira.

Como na forma de realização mostrada na figura, o dispositivo de transmissão 18 é deste modo colocado na caixa de encapsulamento que contém o ar com um baixo teor de humidade. Só o eixo de transmissão 34 do dispositivo de transmissão 18 sobressai da caixa de encapsulamento e é alimentado estanque e hermético ac gás através da parede associada à caixa.

Lisboa, 16 de Fevereiro de 2007.

Pela Requerente O Agente Oficial

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RoêÉmtTCRUZ GARCIA

Agente Oficial da Propriedade Industrial Av.* Conselheiro Fernando de Sousa, 11-15.· 1070-072 USBOA 13

Claims (7)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Um aparelho de comutação monofásico ou polifásico compreendendo um ou mais interruptores (4, 5) que são montados com a ajuda de um isolamento sólido ¢24-32) de forma a que estes estejam isolados, assim como componentes activos associados como por exemplo sistemas de carris (19-21), conectores e outros, onde tanto os interruptores como os componentes activos associados estão alojados numa caixa de encapsulamento (7) dos ditos interruptores e componentes activos, cuja caixa de encapsulamento é cheia com ar com um baixo teor de humidade e o seu espaço interior em relação ao espaço exterior à volta da caixa de encapsulamento é hermético de forma a que o ar existente na caixa não seja contaminado e não atinja o ponto de condensação, caracterizado por um agente absorvente de humidade ser disposto na caixa de encapsulamento, sendo a quantidade do dito agente absorvente de humidade que quando a humidade penetre devido a uma fuga na caixa de encapsulamento esta seja absorvida durante a vida útil do aparelho de comutação, e por um indicador de humidade ser disposto na caixa de encapsulamento de forma a que seja visível através de uma janela da dita caixa.
2. 2. Um aparelho de comutação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o indicador de humidade ser um indicador a cores. 1 caixa em m3, J o teor da humidade do ar existente no espaço interior durante a fabricação por m3 e a uma temperatura específica em gramas, 0 é o poder de absorção do agente absorvente de humidade, S é a quantidade em peso no espaço interior do material que contém humidade em gramas e F é o teor de humidade em percentagem do material que contém humidade.
3. 4. Um aparelho de comutação de acordo com quaisquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por pelo menos uma das paredes da caixa de encapsulamento estar provida com uma abertura que pode ser fechada com uma tampa e que dá acesso a um cartucho (33) cheio com o dito agente absorvente de humidade.
4. 5. Um aparelho de comutação de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a parede provida com a tampa ser directamente adjacente com o meio exterior do aparelho de comutação.
5. 6. Um aparelho de comutação de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado por o orifício que pode ser fechado com uma tampa, ser feito numa única peça com secção mais frágil que se queima quando se dão pressões demasiado altas na caixa de encapsulamento.
6. 7. Um aparelho de comutação de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores provido com um dispositivo de transmissão, caracterizado por a caixa de encapsulamento que contém o ar com um baixo teor de humidade conter também o dispositivo de transmissão (18). 2
7. 8. Um equipamento de distribuição caracterizado por este estar composto por um ou mais dispositivos de comutação monofásicos ou polifásicos adjacentes de acordo com quaisquer uma das reivindicações anteriores. Lisboa, 16 de Fevereiro de 2007. Pela Requerente 0 A oen fee.. -.Qf i c i a 1

   ROSÁRIU GRUZ GARCIA Agente Oficial da Propriedade Industrial Av.* Conselheiro Fernando de Sousa, 11-15.· 1070-072 USBOA 3